ARMv7-A 处理器窥探(2) —— CP15 协处理器
目录
1、ARMv7-A 协处理器
2、CP15 协处理器
2.1、组成
2.2、访问指令
2.2.1、MCR
2.2.2、MRC
2.3、Cp15 协处理器寄存器组成
2.3.0、Cp15-c0 寄存器组成
2.3.1、Cp15-c1 寄存器组成
2.3.2、Cp15-c2&c3 寄存器组成
2.3.3、Cp15-c4 寄存器组成
2.3.4、Cp15-c5&c6 寄存器组成
2.3.5、Cp15-c7 寄存器组成
2.3.6、Cp15-c8 寄存器组成
2.3.7、Cp15-c9 寄存器组成
2.3.8、Cp15-c10 寄存器组成
2.3.9、Cp15-c11 寄存器组成
2.3.10、Cp15-c12 寄存器组成
2.3.11、Cp15-c13 寄存器组成
2.3.12、Cp15-c14 寄存器组成
2.3.13、Cp15-c15 寄存器组成
1、ARMv7-A 协处理器
ARMv7-A 处理器除了标准的 R0~R15，CPSR，SPSR 以外，由于引入了 MMU、TLB、Cache 等内容，ARMv7-A 使用协处理器来对这些扩展来进行管理，ARMv7-A 支持 16 个协处理器，编号从 CP0~CP15，其中的 CP15 协处理器称之为系统控制协处理器，CP15 协处理器下的寄存器包含了 MMU、TLB、Cache等关键组件，其余的 CP0~CP14 有的控制Debug功能，有的控制 SIMD，有的控制浮点，咱们暂时只关注关键的 CP15；
2、CP15 协处理器
2.1、组成
CP15 协处理器由16个子寄存器组成，分别为 c0~c15，所以 CP15 的层次关系为：
这里的 c0~c15 不是寄存器的含义，而是主(Primary Register)寄存器的意思，也就是每个 c0~c15 中，包含很多寄存器组：
比较常用的 c0~c15 的寄存器组织如下
| register | physical register | 描述 |
|---|---|---|
| c0 | MIDR | 主ID寄存器，用于记录厂商版本信息 |
| MPIDR | 多核处理器情况下，配置 Affinity | |
| c1 | SCTLR | 系统控制寄存器 |
| ACTLR | 辅助控制寄存器 | |
| CPACR | 协处理器访问控制寄存器，控制访问除了CP14和CP15的协处理器 | |
| SCR | 安全配置寄存器 | |
| c2 c3 | TTBR0 | 一级转换页表基址寄存器0 |
| TTBR1 | 一级转换页表基址寄存器1 | |
| TTBCR | 页表转换控制寄存器 | |
| c5 c6 | DFSR | 数据异常（Data Fault）状态寄存器 |
| IFSR | 指令异常（Instruction Fault）状态寄存器 | |
| DFAR | 数据异常（Data Fault）地址寄存器 | |
| IFAR | 指令异常（Instruction Fault）地址寄存器 | |
| c7 | predictor | cache及分支预测 |
| barrier | 数据及指令屏障 | |
| c8 | TLB | TLB操作 |
| c9 | performance monitors | 性能监视器 |
| c12 | VBAR | 非安全模式异常基址寄存器 |
| MVBAR | 安全模式异常基址寄存器 | |
| c13 | ASID | 上下文ID寄存器，软件线程ID寄存器 |
| c15 | CBAR | 配置基址寄存器，用于GIC（Generic Interrupt Controller）和定时器类型外设 |
所以，针对 CP15 协处理器相关的层次结构总结下来为（这里以c0为例，c1~c15同样有很多寄存器，每个寄存器都是 32bits 的）：
2.2、访问指令
与 CPSR 类似，协处理器的访问是通过指定的汇编指令进行访问；常用的有 MCR/MRC 两条：
MRC: 将 CP15 协处理器中的寄存器数据读到 ARM 寄存器中。
MCR: 将 ARM 寄存器的数据写入到 CP15 协处理器寄存器中。
使用这两条指令，外加一些标准的指令，就可以实现读改写；
2.2.1、MCR
MCR 指令的格式如下：
MCR<c> <coproc>, <opc1>, <Rt>, <CRn>, <CRm>{, <opc2>}
其中：
coproc：访问协处理器的名字，取值范围从 p0~p15；
opc1：协处理器要执行的操作码，取值范围从 0~7；
Rt：ARM 的寄存器（比如 R0），要写入到指定协处理器寄存器的数据就保存在此寄存器中；
CRn：指定协处理器的目标寄存器；
CRm：协处理器中附加的目标寄存器或者源操作数寄存器，如果不需要附加信息就将 CRm 设置为 C0，否则结果不可预测；
opc2：可选的协处理器特定操作码，取值范围从 0~7，当不需要的时候要设置为 0；
2.2.2、MRC
MRC 指令的格式如下：
MRC<c> <coproc>, <opc1>, <Rt>, <CRn>, <CRm>{, <opc2>}
其中：
coproc：访问协处理器的名字，取值范围从 p0~p15；
opc1：协处理器要执行的操作码，取值范围从 0~7；
Rt：ARM 的寄存器（比如 R0），将指定协处理器寄存器的数据读在此 ARM Core 寄存器中；
CRn：指定协处理器的目标寄存器；
CRm：协处理器中附加的目标寄存器或者源操作数寄存器，如果不需要附加信息就将 CRm 设置为 C0，否则结果不可预测；
opc2：可选的协处理器特定操作码，取值范围从 0~7，当不需要的时候要设置为 0；
访问协处理器寄存器的指令已经写得很清楚，接下来就是如何来填这指令中的变量，这涉及到具体的协处理器的寄存器组织，我们使用最常用的 CP15 为例进行讲述；
2.3、Cp15 协处理器寄存器组成
不管是 MCR/MRC 指令，如果针对到具体的 Cp15 协处理器，coproc 字段填 p15，Rt 字段可以随便指定，暂时不管，那么就剩下 4 个变量：
{opc1、CRn、CRm、opc2}；
Cp15 协处理器的所有寄存器访问，都要依赖这几个值的组合达到访问的目的，前面说过整个 Cp15 的寄存器，分为 c0~c15，一个 16 个 Primary Regiser，再在每个 Primary Regiser 下面，又细分了很多具体的每个长度为 32bits 的寄存器，他们的整体组织结构为：
可以看到，Cp15 协处理器的 CRn 编号从 c0~c15，每个 Primary Regiser 都标记得有访问权限；后面的 opc1、CRm、opc2 的取值访问也都标记得清清楚楚；
那么下面将 c0~c16 每个展开看一下便可以清清楚楚看到他们怎么组织起来的，这样就可以知道如何使用汇编进行编码配置；
2.3.0、Cp15-c0 寄存器组成
c0 的寄存器组成如下：
访问每个寄存器的 {opc1、CRn、CRm、opc2} 写的清清楚楚；
主要是和 ID 相关的内容；
2.3.1、Cp15-c1 寄存器组成
c1 的寄存器组成如下：
主要是和系统控制相关的配置；
2.3.2、Cp15-c2&c3 寄存器组成
c2&c3 的寄存器组成如下：
主要是内存保护和控制相关的（MMU）；
2.3.3、Cp15-c4 寄存器组成
Cp15 协处理器的 c4 寄存器为 Not used；
2.3.4、Cp15-c5&c6 寄存器组成
c5&c6 的寄存器组成如下：
主要是和 memory fault 相关的；
2.3.5、Cp15-c7 寄存器组成
c7 的寄存器组成如下：
主要是和 Cache 相关的部分；
2.3.6、Cp15-c8 寄存器组成
c8 的寄存器组成如下：
主要是和 TLB 相关的；
2.3.7、Cp15-c9 寄存器组成
c9 的寄存器是为 cache 和 TCM 预留的；
2.3.8、Cp15-c10 寄存器组成
c10 的寄存器是为内存重映射和 TLB 控制：
2.3.9、Cp15-c11 寄存器组成
c11 的寄存器是为 TCM DMA 预留：
2.3.10、Cp15-c12 寄存器组成
c12 的寄存器是为安全扩展的：
2.3.11、Cp15-c13 寄存器组成
c13 的寄存器是为进程，上下文和线程 ID 的：
2.3.12、Cp15-c14 寄存器组成
c14 的寄存器是为通用 Timer 预留的：
2.3.13、Cp15-c15 寄存器组成
c15 的寄存器是 IMPLEMENTATION DEFINED 的，不管他：
参考文献：
ARM体系架构—ARMv7-A协处理器_liyuewuwunaile的博客-CSDN博客
ARM体系架构—ARMv7-A指令集：协处理器指令_liyuewuwunaile的博客-CSDN博客
ARMv7 CP15协处理器详解_Deep_l_zh的博客-CSDN博客_cp15协处理器
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